淺談波音737 飛機AOA 不一致故障

許敬遠 吳坤恒/海航航空技術(shù)有限公司

0 引言

2018 年10 月獅航和2019 年3 月埃航的兩起空難將波音公司寄予厚望的737MAX 機型推上風(fēng)口浪尖，一個小小的機動特性增強系統(tǒng)（MCAS）竟成為了百年波音的羅生門。作為激活MCAS功能鑰匙的AOA 傳感器同樣獲得了前所未有的關(guān)注（錯誤的AOA 信號可能使FCC 誤認為飛機失速，從而激活MCAS 功能）。拋開737MAX 不論，對于保有量最龐大的737NG 機型來說，AOA 傳感器對于大氣數(shù)據(jù)慣性基準系統(tǒng)和失速管理系統(tǒng)等的影響也是舉足輕重的，這些系統(tǒng)是涉及飛行安全的關(guān)鍵系統(tǒng)。因此，航空公司大都提高了對AOA 傳感器故障的重視程度，并增加了相應(yīng)的實時監(jiān)控手段。

1 故障描述

2019 年12 月某航一架737NG 飛機連續(xù)多日反映巡航階段左右側(cè)PFD 氣壓高度指示相差100ft 左右，誤差隨高度增加而變大。經(jīng)過接近一個月的密集排查，故障仍未排除。雖然查詢波音手冊誤差未超標(biāo)，但已經(jīng)接近容差極限（見圖1），影響到飛行安全。

2 大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)簡介

大氣數(shù)據(jù)慣性基準系統(tǒng)（ADIRS）為機組和飛機其他系統(tǒng)提供高度、空速、溫度、航向、姿態(tài)和當(dāng)前位置等多個重要參數(shù)。ADIRS 主要部件有2 部ADIRU、4 個ADM、2 個AOA、1 個TAT、1 個MSU、1 個ISDU 和1 個IRS主警戒組件（見圖2）。

大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)從皮托管和靜壓孔獲得大氣壓力，通過管路輸送到ADM，ADM 將氣壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送給ADIRU，ADIRU 利用全壓和靜壓數(shù)據(jù)計算飛機的空速和氣壓高度，由于靜壓孔對于靜壓信號的采集精度無法滿足要求，因此引入靜壓源誤差修正SSEC（SSEC 與馬赫數(shù)和AOA 角度等有關(guān)），ADIRU 將修正后的空速和氣壓高度信號發(fā)送給DEU 和FCC，分別用于顯示、自動飛行、自動油門等功能的控制。

飛機機頭左右兩側(cè)分別安裝了一個AOA 傳感器，用于測量飛機的迎角，轉(zhuǎn)化為電信號后分別送給ADIRU 和失速管理偏航阻尼系統(tǒng)（SMYD）。當(dāng)左右ADIRU 修正高度相差大于200ft 持續(xù)5s，將在PFD 上出現(xiàn)ALT DISAGREE警告；計算空速相差大于5 節(jié)持續(xù)5s，將出現(xiàn)IAS DISAGREE 警告；當(dāng)左右AOA 信號相差大于10°持續(xù)10s，將出現(xiàn)AOA DISAGREE 警告。

3 故障排除

查詢FIM31-62 TASK875《Altitude Disagree-Fault Isolation》可知，造成該故障的可能原因如下：

1）EFIS 控制面板上氣壓沒有設(shè)置相同的值。

圖1 大氣數(shù)據(jù)容差檢查表

圖2 大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)組成

2）全壓、靜壓管路的堵塞、潮濕、滲漏、走向異常。

3）外部探頭加溫異常，如皮托管、TAT、AOA 葉片的加溫功能失效。

4）飛機部件故障，包括全壓ADM、靜壓ADM、ADIRU、AOA葉片等。

5）飛機線路故障。

排故中多次更換了相關(guān)ADIRU、靜壓ADM、動壓ADM 等部件，吹洗相關(guān)動靜壓管路，檢查管路走向均正常且無滲漏，但誤差情況仍沒有緩解。

排故人員懷疑是一側(cè)的AOA 角度異常致使靜壓源誤差修正SSEC 錯誤，進而導(dǎo)致單側(cè)氣壓高度存在誤差。為了隔離AOA 傳感器故障的可能性，根據(jù)QAR 數(shù)據(jù)譯碼，分析了多個航段的飛行參數(shù)，未發(fā)現(xiàn)迎角數(shù)據(jù)異常；按照AMM 手冊進行了AOA 傳感器的安裝測試，讀取AOA 角度均準確。排故陷入僵局。

排故人員并未就此放棄，通過自動油門系統(tǒng)測試頁面讀取到上段左右迎角平均差值1.99°，而提示平均差值不能超過1.5°（見圖3 左側(cè)圖），由此印證了排故人員的懷疑。

為了進一步判斷故障，使用外部工具將兩側(cè)AOA 傳感器都固定在0°，從SMYD 計算機讀取迎角數(shù)值，分別是-0.2°、-0.2°，符合手冊要求。但通過數(shù)字飛行控制系統(tǒng)“DFCS BITE-EXTENDED MAINTENANCE-SENSOR VALUES-DIGITAL SIGNALS-ADIRU-LCL（ADC-BUS）”頁面查看ALPHA數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)左側(cè)為-4.3°，右側(cè)為-0.2°（見圖3 右側(cè)圖），說明兩側(cè)迎角數(shù)據(jù)有較大差值。繼續(xù)設(shè)置多組AOA 傳感器角度進行測試，發(fā)現(xiàn)左側(cè)迎角數(shù)據(jù)均存在較大誤差。為了驗證故障情況，轉(zhuǎn)動左側(cè)AOA 傳感器，使得DFCS BITE 讀取到的左右ALPHA 數(shù)值一致，此時使用大氣數(shù)據(jù)測試儀進行模擬測試，分別打壓到5000FT、15000FT、25000FT、35000FT 檢查氣壓高度，顯示均一致，故障現(xiàn)象消除，由此確認故障原因是左側(cè)AOA 傳感器發(fā)送給ADIRU 的迎角錯誤。更換左側(cè)AOA 傳感器后，故障得到了徹底排除。

圖3 A/T BITE和DFCS的ALPHA數(shù)值

4 故障分析

飛行時，AOA 傳感器的葉片在氣流的作用下飛起，計算出飛機相對于氣流的迎角。分析波音737NG 飛機統(tǒng)一使用的古德里奇公司生產(chǎn)的0861FL1型AOA 傳感器資料可知，一個AOA傳感器內(nèi)部包含兩個電解算器（見圖4），飛機左側(cè)AOA 傳感器的兩個解算器通過AOA 傳感器本體的兩個電插頭分別將迎角數(shù)據(jù)送給左側(cè)ADIRU1 和SMYD1，右側(cè)AOA 傳感器的兩個解算器分別把迎角數(shù)據(jù)送給右側(cè)ADIRU2 和SMYD2。

本次故障原因是左側(cè)AOA 傳感器給ADIRU1 提供信號的解算器故障，導(dǎo)致ADIRU1 和ADIRU2 接收到的迎角角度不一致，使計算靜壓源誤差修正SSEC 存在誤差，經(jīng)過修正后也就出現(xiàn)了左右PFD 氣壓高度不一致的現(xiàn)象。

將拆下的左側(cè)AOA傳感器送修后，廠家給出的檢測報告簡述是：檢測發(fā)現(xiàn)該件靜摩擦力測試和精度測試通不過，主要表現(xiàn)為靜摩擦力在整個行程范圍內(nèi)不均勻，且超差；2號解算器角度增大3°多（要求不超過±0.20°），與1 號解算器在相同位置相比較，兩組角度最大相差3.6°（要求不超過0.25°），超過限值。 確認故障原因為2 號解算器角度出現(xiàn)偏差。疑似內(nèi)部齒輪組機械間隙、摩擦力發(fā)生變化，導(dǎo)致2 號解算器角度出現(xiàn) 偏差。

5 總結(jié)

1）波音圖紙S233T913 設(shè)計規(guī)范說明，空速在95±5 節(jié)時AOA 傳感器應(yīng)在氣流作用下擺到氣動零角度的0.25°范圍內(nèi)。由于飛機必須達到一定的速度才能使AOA 擺到氣動零角度，在空速小于75 節(jié)時，ADIRU 視AOA 的角度輸入為無效值，不作為計算的一個參數(shù)，因此飛機在地面滑行或停放時AOA 傳感器角度不一致并不會導(dǎo)致任何故障現(xiàn)象的出現(xiàn)。而空中AOA 角度錯誤將影響ADIRU 計算下列參數(shù)或功能：計算空速、馬赫數(shù)、氣壓高度、飛行航路角、飛行航路加速度、慣性高度、慣性垂直速度、推力計算等。錯誤的AOA 信號可能導(dǎo)致下列駕駛艙效應(yīng)：PFD 上顯示錯誤的空速和氣壓修正高度、潛在錯誤激活一側(cè)抖桿功能，PFD 出現(xiàn)不正確的低速琥珀色速度帶和俯仰限制指示、自動駕駛斷開警告（燈光和音響）、自動著陸能力降級信息、感覺壓差燈點亮、虛假的風(fēng)切變警告等，對于選裝AOA 指示軟件的飛機PFD 會出現(xiàn)錯誤的AOA 角度指示。另外，當(dāng)無線電高度大于400ft 且空速大于60 節(jié)時，DEU探測到左右ADIRU 的AOA 信號不一致，相差大于10°超過10s 將觸發(fā)AOA DISAGREE 警告。

圖4 AOA內(nèi)部原理圖

2）AOA 傳感器內(nèi)部有兩個解算器，分別給ADIRU 和SMYD 計算機提供迎角信號，而飛機QAR 系統(tǒng)僅從SMYD采集迎角數(shù)據(jù)。對于此案例，AOA 傳感器負責(zé)給SMYD 提供信號的解算器是沒有故障的，譯碼分析迎角參數(shù)時不會發(fā)現(xiàn)異常。因此，對于AOA 傳感器的排故，不能僅通過數(shù)據(jù)譯碼的方法進行判斷。

3）波音當(dāng)前的737NG 和737MAX維護手冊存在一定缺陷，對于AOA 傳感器的檢查測試程序均只是通過SMYD數(shù)據(jù)接口進行角度測試，缺失對ADIRU數(shù)據(jù)接口的測試程序。而據(jù)AOA 傳感器維修廠家反饋，AOA 傳感器單個解算器數(shù)據(jù)錯誤的情況并不罕見，當(dāng)前的維護手冊無法發(fā)現(xiàn)這類故障，存在較大安全隱患。我司排故團隊采用從數(shù)字飛行控制系統(tǒng)DFCS 數(shù)據(jù)接口讀取迎角參數(shù)的方法可實現(xiàn)對ADIRU 數(shù)據(jù)接口的檢查，在實際排故中具有重要作用。我司將此情況反饋給波音，波音接受并采納了此方法，并于2020 年1 月31 日改版了737MAX 飛機AMM 手冊，在“Angle of Attack Sensor System Test”程序中添加了此方法，同時在2020 年6 月15 日改版737NG AMM 手冊時也加入該檢查程序。其他航空公司的維護人員也應(yīng)注意核實波音是否在客戶化維護手冊中更新添加了該檢查程序。